La mayoría de los materiales sólidos no metálicos con los que uno a diario esta en contacto, encuentra que no hay diferencia característica entre su forma externa y la de casi todos los objetos metálicos. De aquí que resulte bastante sorprendente para la mayoría de la gente saber que los materiales metálicos poseen una estructura cristalina, mientras que materiales como la madera, plásticos, papel, vidrio y otros no la poseen, éste tipo de materiales tienen un arreglo al azar en sus partículas de manera que logran rigidez a la temperatura ambiente.
Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus partículas, en amorfos y cristalinos.
Se puede decir que un sólido es un material que posee forma y volumen definidos y que es una sustancia constituida por átomos metálicos, átomos no metálicos, iones ó moléculas.
Muchas de las propiedades de los metales tales como la densidad, dureza, punto de fusión, conductividad eléctrica y calorífica están relacionadas con la estructura cristalina y también con el enlace metálico. Sin embargo, ninguna depende tanto de la estructura cristalina como las propiedades mecánicas tales como la maleabilidad, ductilidad, resistencia a la tensión, temple y capacidad de hacer aleaciones.
SÓLIDOS AMORFOS
Son todos aquellos sólidos en los cuales sus partículas constituyentes presentan atracciones lo suficientemente eficaces como para impedir que la sustancia fluya, resultando una estructura rígida y más o menos dura.
No presentan una disposición interna ordenada por lo tanto no tienen ningún patrón determinado. También se les denomina vidrios ó líquidos sobreenfriados.
A temperaturas altas los amorfos se transforman en líquidos y sus partículas constituyentes tienen libertad de movimiento, al disminuir lentamente la temperatura, la energía cinética de las partículas se va haciendo tan baja que se puede producir un acomodamiento entre ellas; pero si el enfriamiento se produce rápidamente y por debajo del punto de fusión (sobreenfiramento), se origina, como resultado de las menores vibraciones, una contracción térmica que no permite el ordenamiento de las partículas aumentando la viscosidad que ya no es posible apreciar flujo y la sustancia adquiere las características de un sólido: rigidez, dureza, forma y volumen definidos, etc. Como ejemplos cabe resaltar: el asfalto, ceras, la brea, vidrio y la mayoría de los polímeros.
Cuando un sólido amorfo se quiebra produce caras y bordes irregulares y al fundirse lo hace en un rango de temperaturas cambiando lentamente del estado sólido al estado líquido.
SÓLIDOS CRISTALINOS Y REDES DE BRAVAIS
Los sólidos cristalinos están constituidos por minúsculos cristales individuales cada uno con forma geométrica y poseen la característica de que al romperse producen caras y planos definidos, al igual presentan puntos de fusión definidos. Como ejemplos podemos destacar: el NaCl, la sacarosa, metales y aleaciones, y también algunos cerámicos.
Los átomos o iones de un sólido se ordenan en una disposición que se repite en tres dimensiones, forman un sólido del que se dice tiene una estructura cristalina, se dice también que es un sólido cristalino o un material cristalino.
Punto reticular: ión, átomo o molécula que se repite infinitamente
figura 1
Líneas rectas imaginarias que forman la Celdilla unidad
figura 2
El patrón se repite en el espacio y Forma el retículo cristalino
figura 3
El tamaño y la forma de la celda unidad pueden describirse por tres vectores reticulares a, b, c y por ángulos entre las caras y la longitud relativa de las aristas, denominados parámetros de red, constantes de red o ejes cristalográficos.
a, b, c : longitud de las aristas correspondientes a los ejes coordenados X, Y,Z.
a , b , g : ángulos entre las aristas.
figura 4 La importancia en la ingeniería de la estructura física de los materiales sólidos depende primordialmente de la disposición de los átomos, iones o moléculas que constituyen el sólido y de las fuerzas de enlace entre ellos.
Asignando valores específicos para las longitudes axiales y los ángulos intereaxiales, se pueden construir diferentes tipos de celda unidad. Los cristalógrafos han mostrado que son necesarias sólo siete tipos de diferentes de celda unidad para crear todas las redes puntuales, estos sistemas cristalinos son: el Cúbico, el Tetragonal, el Ortorrómbico, el Romboédrico, el Hexagonal, el Monoclínico y el Triclínico. La mayor parte de los sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda unidad básica. A.J. Bravais mostró que 14 celdas unidad estándar podían describir todas las estructuras reticulares posibles. Hay cuatro tipos básicos de celdas unidad (1) Sencilla, (2) Centrada en el Cuerpo, (3) Centrada en las Caras, y (4) Centrada en la Base.
En el Sistema Cúbico hay tres tipos de celda unidad: cúbica sencilla, cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el Sistema Ortorrómbico hay están representados los cuatro tipos. En el Sistema Tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo. La celda unidad tetragonal centrada en las caras parece que falta, pero se puede formar a partir de cuatro celdas unidad tetragonales centradas en el cuerpo. El Sistema Monoclínicotiene celdas unidad sencilla y centrada en la base, y los Sistemas Romboédrico, Hexagonal y Triclínico tienen sólo una celda unidad.
PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METÁLICAS
La mayoría de los metales elementales (90%) cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas: cúbica centrada en las caras FCC, hexagonal compacta HCP y cúbica centrada en el cuerpo BCC debido a que se libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez más estrechamente entre sí. Por lo tanto dichas estructuras densamente empaquetadas se encuentran en disposiciones u ordenamientos de energía cada vez más baja y estable.
Ejemplo
¿ Cuántas celdas unidad hay aproximadamente en el Fe puro BCC si las aristas de la celda estuvieran alineadas arista con arista en 1 mm, si a temperatura ambiente la arista es igual a 0.287 X 10-9 nm ?
Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo BCC
En esta celda unidad las esferas sólidas representan los centros donde los átomos están localizados e indican sus posiciones relativas. En esta celda unidad el átomo central esta rodeado de 8 vecinos más cercanos y se dice que tiene por lo tanto un número de coordinación de 8. Cada una de estas celdas unidad tiene el equivalente de 2 átomos por celda unidad. Un átomo completo esta localizado en el centro de la celda unidad, y un octavo de esfera esta localizado en cada vértice de la celda unidad, haciendo el equivalente de otro átomo. De este modo, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los vértices) = 2 átomos por celda unidad.
Los átomos en este tipo de celdas contactan entre sí a través de la diagonal del cubo, y la relación entre la longitud de la cara del cubo a y el radio atómico R es:
Si los átomos en la celda BCC se consideran esféricos, el factor de empaquetamiento atómico (APF) puede hallarse empleando la siguiente expresión:
El APF de esta celda es 0.68, es decir, el 68% del volumen de la celda esta ocupado por átomos y el 32% restante en espacio vacío. El cristal BCC no es una estructura totalmente compacta, ya que los átomos aún podrían situarse más juntos. Muchos metales como el Cromo, Hierro, Wolframio, Molibdeno y Vanadio tienen estructura cristalina BCC.
Estructura Cristalina Cúbica Centrada en las Caras FCC. En esta celda hay un punto reticular en cada vértice del cubo y otro en el centro de cada cara del cubo. El modelo de esferas sólidas indica que los átomos de esta estructura están unidos del modo más compacto posible. El APF de esta estructura de empaquetamiento compacto es 0.74.
Esta celda tiene el equivalente a cuatro átomos por celda unidad. Un octavo de átomo en cada vértice (8 x 1/8=1) y seis medios átomos en el medio (1/2 x 6= 3).
Los átomos en la celda FCC contactan entre sí a lo largo de la diagonal de la cara del cubo, de tal forma que la relación entre la longitud de la cara del cubo y el radio atómico es:
Metales como el Aluminio, el Cobre, el Plomo, el Níquel y el Hierro a temperaturas elevadas (912 a 1394°C) cristalizan según la estructura FCC.
Ejemplo
El Cu posee una estructura FCC y un radio atómico de 0.1278 nm y considerando que los átomos son esferas sólidas que contactan a lo largo de las diagonales de la celdilla unidad FCC. ¿ Cuál es el valor teórico de la densidad del Cu ?
Masa atómica del Cu=63.54 g/mol
1/8 * 8= 1 átomo ½ * 6= 3 átomo a 4 átomos en la celda FCC
figura 5
Parámetro de Red:
Volumen de la celda:
V=a3 = (0.361nm)3 =0.047nm3x(1X10-9m)3 = 4.7 x 10-29 m3 Masa de los átomos de Cu en la celda:
Densidad Volumétrica:
El valor tabulado experimentalmente es de 8.96 , la diferencia se debe a que los átomos no son esferas perfectas, a la ausencia de átomos en las posiciones atómicas, a defectos en la red, etc.
Estructura Cristalina Hexagonal Compacta HCP
Los metales no cristalizan en la estructura hexagonal sencilla porque el APF es demasiado bajo. El APF es 0.74 ya que los átomos están empaquetados de un modo lo más cercano posible. Cada átomo esta rodeado de otros 12 átomos y por tanto su número de coordinación es 12.
La celda HCP posee 6 átomos, tres forman un triángulo en la capa intermedia, existen 6*1/6 secciones de átomos localizados en las capas de arriba y de abajo, haciendo un equivalente a 2 átomos más, finalmente existen 2 mitades de átomo en el centro de ambas capas superior e inferior, haciendo el equivalente de un átomo más.
La relación c/a de una estructura cristalina HCP ideal es de 1.633 que indica esferas uniformes tan próximas como sea posible. Los metales Cinc, Cadmio poseen una relación c/a más alta que la ideal, lo que indica que los átomos en estas estructuras están ligeramente elongados a lo largo del eje c en la celda unidad HCP. Los metales como el Titanio, Berilio, Magnesio Y Circonio entre otros tienen relaciones c/a menores que la ideal. Por tanto en estos metales los átomos están comprimidos a lo largo de la dirección del eje c.
ÍNDICES DE MILLER
Celdas Cúbicas. Los índices de Miller de un plano cristalino están definidos como los recíprocos de las intersecciones que el plano determina con los ejes x, y, z de los tres lados no paralelos del cubo unitario. Las aristas de una celda cúbica unitaria representan longitudes unitarias y las intersecciones de los planos de una red se miden en base a estas longitudes unitarias.
El procedimiento para determinar los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico es el siguiente:
Escoger un plano que no pase por el origen en (0,0,0)
Determinar las intersecciones del plano en base a los ejes x, y, z cristalográficos para un cubo unitario. Estas intersecciones pueden ser fraccionarias.
Construir los recíprocos de las intersecciones.
Despejar fracciones y determinar el conjunto más pequeño de números enteros que estén en la misma razón de las intersecciones. Estos números enteros son los índices de Miller de un plano cristalográfico y se encierran entre paréntesis sin usar comas. La notación (hkl) se emplea para indicar los índices de Miller en sentido general, donde h, k, y l son los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico de ejes x, y, y z respectivamente.
Ejemplos
figura 6 Las intersecciones del primer plano son 1, 1, y los recíprocos de estos números son 1, 1, 0 no involucran fracciones, siendo los índices de Miller (1 1 0).
Para la segunda figura, las intersecciones son: 1, , a los ejes x, y, z respectivamente, por lo tanto los recíprocos son: 1, 0, 0. Los índices de Miller para este plano son: (1 0 0 ).
Finalmente, el tercer plano, tiene las intersecciones 1, 1, 1 que nos dan un índice de Miller (1 1 1).
Si se considera que el plano cristalino pasa por el origen de manera que uno ó más cortes se hacen cero, el plano ha de ser desplazado a una posición equivalente en la misma celda unitaria de modo que el plano permanezca paralelo al original. Esto es posible porque todos los planos paralelos equidistantes son indicados con los mismos índices de Miller.
Si grupos de planos de redes equivalentes están relacionados por la simetría del sistema cristalino, se llaman familia de planos, y los índices de una familia de planos son encerrados entre llaves. Por ejemplo, los índices de Miller de los planos de la superficie del cubo (100) (010) y (001) se designan colectivamente como una familia con la notación {100}.
Una importante relación sólo para el sistema cúbico es que los índices de una dirección perpendicular a un plano de un cristal son los mismos que los índices de Miller para ese plano. Por ejemplo, la dirección [100] es perpendicular al plano cristalino (100).
Celda HCP. Se identifican empleando cuatro índices en vez de tres, se denominan índices Miller-Bravais, son representados por las letras h, k, i, l y encerrados entre paréntesis (h, k, i, l). Estos índices hexagonales están basados en un sistema coordenado de cuatro ejes, tres ejes básicos a1,a2,a3 que forman 120° entre sí, el cuarto eje o eje c es el eje vertical y está localizado en el centro de la celdilla unidad (Ver figura). La unidad a de medida a lo largo de los ejes a1,a2,a3 es la distancia entre los átomos. La unidad de medida a lo largo del eje c es la altura de la celdilla unidad. Los recíprocos de las intersecciones que un plano determina con los ejes a1,a2,a3 proporcionan los índices h, k e i mientras que el reciproco de la intersección con el eje c da el índice l.
figura 7 Los planos basales de la celdilla unidad HCP son muy importantes para esta celdilla, el plano basal de la parte superior es paralelo a los ejes a1,a2,a3 , las intersecciones de este plano con estos ejes serán todas de valor infinito. Así, a1 = a2= a3 = . El eje c, sin embargo, es único puesto que el plano basal superior intersecciona con el eje c a una distancia unidad. Tomando los recíprocos de estas intersecciones tenemos los índices de Miller-Bravais para el plano basal HCP. Así, h=0, K=0, i=0, l=1. El plano basal es, por tanto, un plano (0001).
Las direcciones en las celdas unitarias HCP se indican por cuatro índices [u,v,t,w]. Son vectores reticulares en las direcciones a1,a2,a3 respectivamente y el índice w es un vector reticular en la dirección c.
SISTEMAS DE DESLIZAMIENTO
Un sistema de deslizamiento es la combinación de un plano y una dirección que se halla sobre el plano a lo largo del cual se produce el deslizamiento.
El Mecanismo de deslizamiento puede definirse como el movimiento paralelo de dos regiones cristalinas adyacentes, una respecto a la otra, a través de algún plano (o planos).
El deslizamiento no se produce sobre un plano solamente, sino sobre pequeñas regiones de planos paralelos llamados bandas de deslizamiento o líneas de deslizamiento, dependiendo de sus espesores. Puesto que todas las líneas de deslizamiento está en grupos paralelos dentro de cada monocristal (cada grano), deben corresponder a una misma familia de planos (hkl) ocupados del grano particular. A partir de mediciones sobre especímenes de monocristales de orientaciones conocidas se puede determinar 1) los planos sobre los cuales se produce el deslizamiento y 2) la dirección de deslizamiento dentro de estos planos. Tales experimentos han revelado que en las estructuras FCC el deslizamiento siempre se produce sobre los planos {111} pero solamente en las direcciones <110>. Esto significa que si se produce el deslizamiento sobre el plano (111) será en alguna de las tres direcciones ± [101], ±[110], ±[011].
Los cristales FCC poseen 12 sistemas de deslizamiento debido a que tienen cuatro grupos {111} y con tres direcciones <110> en cada una.
En otras estructuras de cristales metálicos, los sistemas de deslizamiento tienen más variabilidad. En los metales BCC las líneas de deslizamiento tienen una apariencia ondulada. En estos cristales el deslizamiento se produce predominantemente en los sistemas {110} <111> y la apariencia ondulada se debe aparentemente a deslizamiento simultáneo sobre los otros dos sistemas de planos {211} y {321} . En cristales HCP reales, la relación c/a no es igual al valor ideal de 1.633 del modelo de esfera dura. Para los metales c/a > 1.633 hay alguna preferencia para el deslizamiento sobre el plano basal, <1120>(0001), mientras que para aquellos metales con c/a < 1.633 los sistemas de deslizamiento preferidos son los otros dos.
Estructura
Dirección de Deslizamiento
Planos de Deslizamiento
Ejemplos
FCC
<110>
{111}
Cu, Al, Ni, Pb, Au, Ag, Fe
BCC
<111>
{110}
Fe, W, Mo, Latón, Nb, Ta
BCC
<111>
{210}
Fe, Mo, W, Na
BCC
<111>
{321}
Fe, K
HCP
<1120>
(0001)
Cd, Zn, Mg, Ti, Be, Co
HCP
<1120>
{1010}
Ti, Mg, Zr, Be
HCP
<1120>
{1011}
Ti, Mg
Tres observaciones generales son de gran importancia:
Las direcciones de deslizamiento siempre son en la dirección de empaquetamiento compacto. Existen excepciones, por ejemplo, mercurio sólido.
El deslizamiento ocurre usualmente sobre la mayoría de los planos compactos. Esta observación esta relacionada con el hecho de que los planos empaquetados más densamente también son el grupo de planos (hkl) ocupados que tienen el espaciamiento más amplio.
El deslizamiento se produce primero sobre el sistema de deslizamiento que tiene el mayor esfuerzo de corte a lo largo de su dirección de deslizamiento.
Metal se usa para denominar a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calory la electricidad poseen alta densidad y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución. La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solape entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presión y temperatura, la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con los semiconductores. Forja metálica en la marquesina del actual Ayuntamiento de Madrid, antiguo Palacio de Comunicaciones. El concepto de metal refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con características metálicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la mayor parte de la tabla periódica de los elementos y se separan de los no metales por una línea diagonal entre el boro y el polonio. En comparación con los no metales tienen baja electronegatividad y baja energía de ionización, por lo que es más fácil que los metales cedan electrones y más difícil que los ganen
Una aleación es una mezcla homogénea, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.1 Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos: Fe, Al, Cu, Pb. Pueden tener algunos elementos no metálicos, como: P, C, Si, S, As. Para su fabricación se mezclan llevándolos a temperaturas tales que sus componentes se fundan.
Por su composición Tiene en cuenta el elemento que se halla en mayor proporción (aleaciones férricas aleaciones base cobre, etc.) Cuando los aleantes no tienen carácter metálico suelen hallarse en muy pequeña proporción, mientras que si únicamente se mezclan metales, los aleantes pueden aparecer en proporciones similares. Por el número de elementos Se pueden distinguir aleaciones binarias como el cuproníquel, ternarias (alpaca)... Hay aleaciones en las que intervienen un elevado número de elementos químicos, si bien en pequeñas cantidades. Por su estructuraSustitucionalIntersticial "sustitución derivada de otra red".Por su peso Las aleaciones ligeras contienen como elemento principal el aluminio o el magnesio.
Micrografía de acero eutectoide (perlita). Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales. Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase. Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes. Preparación Históricamente, la mayoría de las aleaciones se preparaban mezclando los materiales fundidos. Más recientemente, lapulvimetalurgia ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de suspuntos de fusión. El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Entre las aleaciones que pueden obtenerse por pulvimetalurgia están los cermets. Estas aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros) combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones decarbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis. La plata fina, el oro de 18 quilates, el oro blanco y el platino iridiado son aleaciones de metales preciosos. La aleación antifricción, el latón, el bronce, el metal Dow, la plata alemana, el bronce de torpedo, el monel, el peltre y la soldadura son aleaciones de metales menos preciosos. Debido a sus impurezas, el aluminio comercial es en realidad una aleación. Las aleaciones de mercurio con otros metales se llaman amalgamas.
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La cerámica (palabra derivada del griego κεραμικός keramikos, "sustancia quemada") es el arte de fabricar recipientes, vasijas y otros objetos de arcilla, u otro material cerámico y por acción del calor transformarlos en utensilios deterracota, loza o porcelana. También es el nombre de dichos objetos. El término se aplica de una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su significado. No sólo se aplica a las industrias de silicatos (grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre), sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por medio del calor, con suficiente temperatura como para dar lugar al sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre metal.
ienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos. Materiales cerámicos Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tungsteno. Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades específicas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión. Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos. Según su microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicos no cristalinos o vidrios y vitro cerámicos. Cerámicos cristalinos Se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el de solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios. Cerámicos no cristalinos Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos. Vitro cerámicos Se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica. Propiedades y aplicaciones Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades: • Son muy duros y presentan una gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura. • Son capaces de soportar altas temperaturas • Tienen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión • Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas. Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que los metales. A diferencia de éstos, se trata de materiales relativamente frágiles, ya que los enlaces iónico-covalentes. Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible. Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos o compositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polímero plástico o, incluso, de fibras cerámicas inmersas en el material cerámico, con lo que se consigue que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura. Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals, compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro. Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado. El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metálico junto al material cerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación. Resistencia a la temperatura Esta propiedad se fundamenta en tres características de los materiales cerámicos: elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica.
Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, si exceptuamos el volframio.
Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmente resistentes a los choques térmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios de volumen que determinan la aparición de gritas y su posterior rotura.
Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes.
Resistencia a los agentes químicos La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y a los agentes químicos. Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y de los agentes químicos a que vayan ser sometidos. La alúmina de elevada pureza se emplea en prótesis o implantes óseos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosión, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo.
Polimeros
INTRODUCCIÓN Los compuestos orgánicos son en general sustancias de constitución simple, porque se forman por moléculas con un número muy reducido de átomos. La polimerización es una reacción química realizada mayormente en presencia de un catalizador que se combina para formar moléculas gigantes. Los polímeros tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes constituidas por moléculas sencillas. Los que se obtienen industrialmente se conocen como plásticos, éstos también pueden ser llamados homopolímeros, que se producen cuando el polímero formado por la polimerización de monómeros iguales. Muchos monómeros también forman polímeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono o del cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas de polímero. Así la polimerización de glucosa la celulosa, un polímero natural, va acompañado por pérdida de agua y la celulosa es un polímero típico de condensación. POLÍMEROS
Los Polímeros, provienen de las palabras griegas Poly y Mers, que significa muchas partes, son grandes moléculas o macromoléculas formadas por la unión de muchas pequeñas moléculas: sustancias de mayor masa molecular entre dos de la misma composición química, resultante del proceso de la polimerización. Cuando se unen entre sí más de un tipo de moléculas (monómeros), la macromolécula resultante se denomina copolímero. Como los polímeros se forman usualmente por la unión de un gran número de moléculas menores, tienen altos pesos moleculares. No es infrecuente que los polímeros tengan pesos moleculares de 100.000 o mayores. Los polímeros se caracterizan a menudo sobre la base de los productos de su descomposición. Así si se calienta caucho natural (tomado del árbol Hevea del valle del Amazonas), hay destilación de hidrocarburo, isopreno. Los polímeros pueden ser de tres tipos:
Polímeros naturales: provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidosnucleicos, etc.
Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc.
Polímeros sintéticos: son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.
Muchos elementos (el silicio, entre otros), forman también polímeros, llamados polímeros inorgánicos. Propiedades Físicas de los Polímeros
Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 hasta 150.000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia uncarácter amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal.
En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van de Waals.
En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H.
A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que forman el material.
La temperatura en la cual funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf)
Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que la misma sea bastante superior a Tf.
Clasificación de los Polímeros según sus Propiedades Físicas Desde un punto de vista general se puede hablar de tres tipos de polímeros:
Elastómeros
Termoplásticos
Termoestables.
Los elastómeros y termoplásticos están constituidos por moléculas que forman largas cadenas con poco entrecruzamiento entre sí. Cuando se calientan, se ablandan sin descomposición y pueden ser moldeados. Los termoestables se preparan generalmente a partir de sustancias semifluidas de peso molecular relativamente bajo, las cuales alcanzan, cuando se someten a procesos adecuados, un alto grado de entrecruzamiento molecular formando materiales duros, que funden con descomposición o no funden y son generalmente insolubles en los solventes más usuales. Polimerización Es un proceso químico por el cual, mediante calor, luz o un catalizador, se unen varias moléculas de un compuesto generalmente de carácter no saturado llamado monómero para formar una cadena de múltiples eslabones, moléculas de elevado peso molecular y de propiedades distintas, llamadas macromoléculas o polímeros. Tipos de Reacciones de Polimerización Hay dos reacciones generales de polimerización: la de adición y la condensación. En las polimerizaciones de adición, todos los átomos de monómero se convierten en partes del polímero. En las reacciones de condensación algunos de los átomos del monómero no forman parte del polímero, sino que son liberados como H2O, CO2, ROH, etc. Algunos polímeros (ejemplo: polietilén glicol) pueden ser obtenidos por uno u otro tipo de reacción. Polimerización por Adición Las polimerizaciones por adición ocurren por un mecanismo en el que interviene la formación inicial de algunas especies reactivas, como radicales libres o iones. La adición de éstas especies reactivas a una molécula del monómero convierte a la molécula en un radical o Ion libre. Entonces procede la reacción en forma continua. Un ejemplo típico de polimerización por adición de un radical libre es la polimerización de cloruro de vinilo, H:C = CHCl, en cloruro de polivinilo (PVC). Polietileno Cuando se calienta eteno (etileno) con oxígeno bajo presión, se obtiene un compuesto de elevada masa molar (alrededor de 20 mil) llamado Polietileno, el cual es un alcano de cadena muy larga. Monómero: CH2 = CH2.. La reacción se presenta de la forma siguiente: Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superiorCondiciones experimentales de polimerización En fase gaseosa a altas temperaturas y presiones, a presión media utilizando catalizadores heterogéneos y a baja presión en presencia de trietilo dealuminio como catalizador. Propiedades: Los polietilenos de alta presión tienen pesos moleculares entre 10.000 y 40.000. Son muy elásticos, flexibles y termoplásticos. Los polietilenos de fusión media presentan alta cristalinidad y son duros y rígidos y los de fusión baja menor cristalinidad, siendo también duros y poco elásticos. Todos los polietilenos son muy resistentes a los agentes químicos. Usos: Para la fabricación de tubos, planchas, materiales aislantes, para cables eléctricos, recubrimientos para protección contra la corrosión, hojas y láminas para embalaje, protección de cultivos, aislamiento térmico, recubrimientos sobre papel, en el moldeo por inyección para obtener recipientes de todo tipo, artículos del hogar, tuberías que sustituyen a los de hierro galvanizado, etc. Poliestireno Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior Venil Benceno Poliestireno Mecanismos: Radicales libres o iónicos Condiciones experimentales de polimerización Emulsión, suspensión o en bloque Propiedades: Por los procedimientos de emulsión o suspensión se obtienen disoluciones de distintas viscosidades según el grado de polimerización alcanzado. Usos: Plastificado se utiliza en la industria de pinturas y barnices. Con elevado grado de polimerización en la industria transformadora de plásticos principalmente en procesos de moldeo por inyección. En la industria eléctrica encuentra gran aplicación debido a su excelente poder aislante. Cloruro de Polivinilo (PVC) Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior Mecanismos: Radicales libres por acción de la luz o de catalizadores peróxidos. Condiciones experimentales de polimerización: El proceso puede llevarse a cabo a fusión, en emulsión o en bloque obteniéndose en cada caso un producto de propiedades peculiares. Propiedades: Polvo blanco que comienza a reblandecer cerca de los 80ºC y se descompone sobre los 140ºC. Es muy resistente a los agentes mecánicos y químicos y es de fácil pigmentación. Usos: Materiales aislantes para la industrias química, eléctrica. Polimerización por Condensación La polimerización por condensación es el proceso mediante el cual se combinan monómeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono, o cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas del polímero. Casi todos los polímeros de condensación son en realidad copolímeros; es decir, que están formados por dos o más clases de monómeros. Así, una diamina reacciona con un ácido dicarboxílico para formar nylon. Entre los polímeros naturales por condensación tenemos la celulosa, las proteínas, la seda, el algodón, la lana y el almidón. Poliésteres El intercambio de éster es una de las útiles reacciones para preparar polímeros lineales. Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior Polímeros termoestables pueden ser preparados a partir de anhídridos de ácido polibásicos con polialcoholes. Ejemplo: glicerol con anhídrido ftálico. Nylon Una gran variedad puede obtenerse calentando diaminas con ácidos dicarboxílicos. Ejemplo: nylon (66) Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior Bakelitas: Los productos de partida son el fenol y el formaldehído. Condiciones experimentales de polimerización
Polimerización en fase gaseosa a presión normal, reducida o elevada. El procedimiento más importante de este tipo es la polimerización del etileno.
Polimerización de uno o más monómeros en fase líquida pura (polimerización en bloque). Muchas polimerizaciones del tipo vinilo se realizan de esta manera, especialmente si se desean obtener trozos grandes, transparentes, del producto final. Ejemplos: la formación de poliésteres y poliamidas, los productos de adición fenol-úrea y melamina formaldehído.
Polimerización de uno o más monómeros por dispersión en forma de gotitas de diversos tamaños en un líquido no disolvente (polimerización en suspensión, en perlas o glóbulos). El estireno, el metacrilato de metilo y otros monómeros se polimerizan de esta manera para obtener gránulos de tamaño y calidad muy uniformes para el moldeo por inyección y compresión.
Impacto Social y Ambiental generado por el uso de los Polímeros Aspectos positivos Un gran número de materiales están construidos por polímeros y muchos de ellos son irremplazables en el actual mundo tecnológico. Aspectos negativos
La inadecuada eliminación de los polímeros contribuye en buena parte a la degradación ambiental por acumulación de basura.
Muchos artículos de plástico son peligrosas armas destructivas. Por ejemplo, las bolsas plásticas pueden ser causantes de asfixia si se recubre la cabeza con ellas y no se logra retirarlas a tiempo.
Especies como la tortura gigante, mueren al ingerir bolsas plásticas que flotan en el mar, confundiéndolas con esperma de peces, su alimento habitual.
La no biodegradación impide su eliminación en relleno sanitario y además disminuye notablemente la presencia de colonias bacterianas en tornoa los plásticos.
La incineración puede generar compuestos venenosos. Por ejemplo, HCl (g) y HCN (g)
Los envases plásticos empleados para alimentos no pueden volver a usarse ya que no existen métodos efectivos de esterilización.
BIOMOLÉCULAS
LOS GLÚCIDOS Los glúcidos también llamados carbohidratos, son polihidroxialdehídos, polihidroxicetonas o compuestos que por hidrólisis se convierten en los polihidroxi antes nombrados. Un carbohidrato que no es hidrolizable a compuestos más simples se denomina monosacárido. En cambio uno que por hidrólisis da dos moléculas de monosacáridos se llama disacárido, mientras aquel que produce muchas moléculas de monosacáridos por hidrólisis es un polisacárido. A su vez un monosacárido si contiene un grupo aldehído se le conoce como aldosa; si contiene una función cetona es una cetosa. Según el número de átomos de carbono que contenga se conoce el monosacárido como triosa, tetrosa, pentosa, hexosa y así sucesivamente. Una aldohexosa por ejemplo, es un monosacárido con seis átomos de carbono con una función aldehído, mientras que una cetohexosa es un monosacárido de seis átomos de carbono con un grupo cetónico. Importancia Biológica de los GlúcidosLa podemos resumir en los aspectos siguientes:
La glucosa es la biomolécula combustible más importante para la mayor parte de los organismos y es también la unidad estructural básica o precursora de los polisacáridos más abundantes.
La celulosa es el componente estructural predominante en los tejidos fibrosos y leñosos de las plantas.
El almidón se encuentra en cantidades muy grandes en las plantas, de las que constituye la forma principal de combustible de reserva.
Los polisacáridos son componentes importantes de las rígidas paredes celulares de las bacterias y las plantas, así como de las cubiertas celulares blandas de los tejidos animales.
Las aldopentosas son componentes importantes de los ácidos nucleicos y varios derivados de las triosas y las heptosas, son intermediarios en elmetabolismo de los glúcidos.
LAS PROTEÍNAS
El nombre proteína proviene de la palabra griega proteios, que significa lo primero. Entre todos los compuestos químicos, las proteínas deben considerarse ciertamente como las más importantes, puesto que son las sustancias de la vida. Desde un punto de vista químico son polímeros grandes o son poliamidas y los monómeros de los cuales derivan son los ácidos a - aminocarboxílicos (aminoácidos). Una sola molécula de proteína contiene cientos e incluso miles de unidades de aminoácidos, las que pueden ser de unos veinte tipos diferentes. El número de moléculas proteínicas distintas que pueden existir, es casi infinito. Es probable que se necesiten decenas de miles de proteínas diferentes para formar y hacer funcionar un organismo animal; este conjunto de proteínas no es idéntico al que constituye un animal de tipo distinto. Propiedades de los Aminoácidos
Los aminoácidos son sólidos cristalinos no volátiles, que funden con descomposición a temperaturas relativamente altas.
Son insolubles en solventes no polares, mientras que son apreciablemente solubles en agua.
Sus soluciones acuosas se comportan como soluciones de sustancias de elevado momento dipolar.
Las constantes de acidez y basicidad son muy pequeñas para grupos – NH2 y - COOH. La glicina, por ejemplo, tiene Ka = 1,6 x 10-10 y Kb = 2,5 x 10-12, mientras que la mayoría de los ácidos carboxílicos tienen Ka del orden 10-5, y un gran número de aminas alifática un Kb de aproximadamente 10-4. En forma general el Ka medido se refiere a la acidez del ión amonio RNH3+
Importancia Biológica de las proteínasSu importancia biológica la podemos resumir así:
Son las sustancias de la vida, pues constituyen gran parte del cuerpo animal.
Dirigen la síntesis de los ácidos nucleicos que son los que controlan la herencia.
LOS LÍPIDOS
Los lípidos son biomoléculas que siendo insolubles en el agua, pueden ser extraídas de las células con solventes orgánicos de polaridad baja, tales como el éter y el cloroformo. Los lípidos abarcan una amplia variedad de tipos estructurales incluyendo los siguientes:
Sólo una pequeña parte de los lípidos está formada por ácidos carboxílicos libres. La mayoría de los ácidos carboxílicos en los lípidos se encuentran como ésteres del glicerol, es decir, como triacilglicéridos. Los triacilglicéridos son los aceites y grasas de origen vegetal o animal, incluyendo sustancias tan comunes como el aceite de maní, el aceite de oliva, el aceite de soya, el aceite de maíz, el aceite de linaza, la mantequilla, la manteca y el sebo. Los triacilglicéridos que son líquidos a temperatura ambiente, generalmente se conocen como aceites; los que son sólidos se conocen como mantecas y sebos. Como podemos observar, para dar una definición de un lípido tenemos que partir de su estructura. Desde un punto de vista químico las grasas son esteres carboxílicos que derivan de un solo alcohol, el glicerol, CH2OH - CHOH – CH2OH (1,2, 3-propanotriol) y se conocen como glicéridos. Más específicamente se trata de triacilglicéridos. CH3 – (CH2)12 - COOH ácido tetradecanoico (ácido mirístico) CH3 – (CH2)14 - COOH ácido hexadecanoico (ácido palmítico) CH3 – (CH2)16 - COOH ácido octadecanoico (ácido esteárico) La hidrólisis de la mantequilla forma pequeñas cantidades de ácidos carboxílicos saturados de número par de átomos de carbono, en el intervalo C4 – C12 Estos son los ácidos butíricos (butanoico), caproico (hexanoico), caprílico (octanoico), capricho (decanoico) y laúrico (dodecanoico). La hidrólisis del aceite de coco también produce ácidos carboxílicos de cadena corta y gran cantidad de ácido laúrico. Importancia Biológica de los Lípidos La podemos resumir en los aspectos siguientes:
Las grasas son los constituyentes principales de las células almacenadoras de grasas en los animales y vegetales.
Constituyen una de las reservas alimenticias importantes del organismo.
Se emplean en grandes cantidades como materias primas para muchos procesos industriales, de donde se obtienen en algunos casos alimentos de la dieta diaria. Ejemplos, mantequilla, manteca, aceites, etc., además de otros productos de uso cotidiano jabón, aceites secantes, detergentes, etc.
LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos son polímeros que existen en el núcleo de las células. Toda célula viva contiene ácidos nucleicos, como también las células bacterianas que no contienen núcleos y en los virus que no tienen células. Estos ácidos tienen primordial importancia porque determinan la síntesis de la proteína y el factor genético, las características hereditarias de todos los organismos vivos. La unidad de repetición (monómero) de los ácidos nucleicos se compone de tres partes de ácido fosfórico, una base que contiene nitrógeno y una porción de azúcar. Este monómero se llama nucleótido. Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior El azúcar es o bien ribosa o desoxirribosa, y la base es una de las cinco bases principales, citosina, adenina, timina, guanina, uracilo. Un ácido nucleico que contiene ribosa se llama ácido ribonucleico (RNA) mientras que uno que posee desoxirribosa se denomina ácido desoxirribonucleico (DNA). El DNA fue descubierto por Freidrich Miescher en 1869 y sintetizado por Arthur Kornberg en 1967. USO DE FÓRMULAS LEGALES E ILEGALES
Un fármaco o medicamento es cualquier sustancia que, aplicada interior o exteriormente al cuerpo, puede producir un efecto curativo. Los medicamentos en general son inofensivos, mientras que otros producen dependencia si son mal usados e inclusive la muerte. De allí que existan los fármacos legales y los fármacos ilegales. Los fármacos se expenden en las farmacias sin prescripción facultativa (aspirina, atamel, amoxal, icadén, voltarén, vapesin, etc.) mientras que otros que pueden inducir dependencia o daños si no son bien administrados, se venden mediante prescripción médica. Entre estos últimos tenemos los psicotrópicos (largactil, sinogán, ritalín, ativán, rohpinol, valium, etc.) y anestésicos (cifarcaína, lidocaina, xylocaina, pentotalsódico, morfina, etc.). Por último existen los fármacos cuya venta no autorizada los convierte en fármacos ilegales. El uso de estos fármacos conduce a dependencia e inclusive la muerte. Se citan la cocaína y la heroína. IMPACTO DE LA QUÍMICA EN LA PREPARACIÓN DE NUEVA BIOTECNOLOGÍA La Química influye en nuestra vida de muy diversas formas. Cuando una persona (o animal) está enferma, el médico (o el veterinario) le prescribe ciertos medicamentos que han sido descubiertos por los químicos. Por otra parte, investigaciones químicas han permitido descubrir fibras, plásticos y cauchos sintéticos como los que se usan en los neumáticos y en otras partes de los automóviles y maquinarias. En los laboratorios químicos se han desarrollado fertilizantes sintéticos que incrementan la producciónde alimentos de los terrenos cultivados. La Química en su constante proceso de experimentación también ha producido y produce hormonas, que ayudan a un mejor funcionamiento del organismo. Entre estas hormonas sintéticas se tienen las píldoras anticonceptivas, hormona sexual masculina y la hormona sexual femenina, insulina, hormonas suprarrenales, hormonas tiroideas, y antitiroideas, hormona contra la esterilidad y muchas otras más. Así mismo, la biotecnología química ha conducido a la preparación de vitaminas, tales como la A, B (y sus diferentes variantes), D, C, E y K y el ácido desoxirribonucleico. En conclusión, la Química ha intervenido en la preparación de casi todos los productos imaginables.
La mayoría de los materiales sólidos no metálicos con los que uno a diario esta en contacto, encuentra que no hay diferencia característica entre su forma externa y la de casi todos los objetos metálicos. De aquí que resulte bastante sorprendente para la mayoría de la gente saber que los materiales metálicos poseen una estructura cristalina, mientras que materiales como la madera, plásticos, papel, vidrio y otros no la poseen, éste tipo de materiales tienen un arreglo al azar en sus partículas de manera que logran rigidez a la temperatura ambiente.
Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus partículas, en amorfos y cristalinos.
Se puede decir que un sólido es un material que posee forma y volumen definidos y que es una sustancia constituida por átomos metálicos, átomos no metálicos, iones ó moléculas.
Muchas de las propiedades de los metales tales como la densidad, dureza, punto de fusión, conductividad eléctrica y calorífica están relacionadas con la estructura cristalina y también con el enlace metálico. Sin embargo, ninguna depende tanto de la estructura cristalina como las propiedades mecánicas tales como la maleabilidad, ductilidad, resistencia a la tensión, temple y capacidad de hacer aleaciones.
SÓLIDOS AMORFOS
Son todos aquellos sólidos en los cuales sus partículas constituyentes presentan atracciones lo suficientemente eficaces como para impedir que la sustancia fluya, resultando una estructura rígida y más o menos dura.
No presentan una disposición interna ordenada por lo tanto no tienen ningún patrón determinado. También se les denomina vidrios ó líquidos sobreenfriados.
A temperaturas altas los amorfos se transforman en líquidos y sus partículas constituyentes tienen libertad de movimiento, al disminuir lentamente la temperatura, la energía cinética de las partículas se va haciendo tan baja que se puede producir un acomodamiento entre ellas; pero si el enfriamiento se produce rápidamente y por debajo del punto de fusión (sobreenfiramento), se origina, como resultado de las menores vibraciones, una contracción térmica que no permite el ordenamiento de las partículas aumentando la viscosidad que ya no es posible apreciar flujo y la sustancia adquiere las características de un sólido: rigidez, dureza, forma y volumen definidos, etc. Como ejemplos cabe resaltar: el asfalto, ceras, la brea, vidrio y la mayoría de los polímeros.
Cuando un sólido amorfo se quiebra produce caras y bordes irregulares y al fundirse lo hace en un rango de temperaturas cambiando lentamente del estado sólido al estado líquido.
SÓLIDOS CRISTALINOS Y REDES DE BRAVAIS
Los sólidos cristalinos están constituidos por minúsculos cristales individuales cada uno con forma geométrica y poseen la característica de que al romperse producen caras y planos definidos, al igual presentan puntos de fusión definidos. Como ejemplos podemos destacar: el NaCl, la sacarosa, metales y aleaciones, y también algunos cerámicos.
Los átomos o iones de un sólido se ordenan en una disposición que se repite en tres dimensiones, forman un sólido del que se dice tiene una estructura cristalina, se dice también que es un sólido cristalino o un material cristalino.
que se repite infinitamente
Celdilla unidad
Forma el retículo cristalino
El tamaño y la forma de la celda unidad pueden describirse por tres vectores reticulares a, b, c y por ángulos entre las caras y la longitud relativa de las aristas, denominados parámetros de red, constantes de red o ejes cristalográficos.
a, b, c : longitud de las aristas correspondientes a los ejes coordenados X, Y,Z.
a , b , g : ángulos entre las aristas.
La importancia en la ingeniería de la estructura física de los materiales sólidos depende primordialmente de la disposición de los átomos, iones o moléculas que constituyen el sólido y de las fuerzas de enlace entre ellos.
Asignando valores específicos para las longitudes axiales y los ángulos intereaxiales, se pueden construir diferentes tipos de celda unidad. Los cristalógrafos han mostrado que son necesarias sólo siete tipos de diferentes de celda unidad para crear todas las redes puntuales, estos sistemas cristalinos son: el Cúbico, el Tetragonal, el Ortorrómbico, el Romboédrico, el Hexagonal, el Monoclínico y el Triclínico. La mayor parte de los sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda unidad básica. A.J. Bravais mostró que 14 celdas unidad estándar podían describir todas las estructuras reticulares posibles. Hay cuatro tipos básicos de celdas unidad (1) Sencilla, (2) Centrada en el Cuerpo, (3) Centrada en las Caras, y (4) Centrada en la Base.
En el Sistema Cúbico hay tres tipos de celda unidad: cúbica sencilla, cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el Sistema Ortorrómbico hay están representados los cuatro tipos. En el Sistema Tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo. La celda unidad tetragonal centrada en las caras parece que falta, pero se puede formar a partir de cuatro celdas unidad tetragonales centradas en el cuerpo. El Sistema Monoclínicotiene celdas unidad sencilla y centrada en la base, y los Sistemas Romboédrico, Hexagonal y Triclínico tienen sólo una celda unidad.
PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METÁLICAS
La mayoría de los metales elementales (90%) cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas: cúbica centrada en las caras FCC, hexagonal compacta HCP y cúbica centrada en el cuerpo BCC debido a que se libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez más estrechamente entre sí. Por lo tanto dichas estructuras densamente empaquetadas se encuentran en disposiciones u ordenamientos de energía cada vez más baja y estable.
Ejemplo
¿ Cuántas celdas unidad hay aproximadamente en el Fe puro BCC si las aristas de la celda estuvieran alineadas arista con arista en 1 mm, si a temperatura ambiente la arista es igual a 0.287 X 10-9 nm ?
Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo BCC
En esta celda unidad las esferas sólidas representan los centros donde los átomos están localizados e indican sus posiciones relativas. En esta celda unidad el átomo central esta rodeado de 8 vecinos más cercanos y se dice que tiene por lo tanto un número de coordinación de 8. Cada una de estas celdas unidad tiene el equivalente de 2 átomos por celda unidad. Un átomo completo esta localizado en el centro de la celda unidad, y un octavo de esfera esta localizado en cada vértice de la celda unidad, haciendo el equivalente de otro átomo. De este modo, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los vértices) = 2 átomos por celda unidad.
Los átomos en este tipo de celdas contactan entre sí a través de la diagonal del cubo, y la relación entre la longitud de la cara del cubo a y el radio atómico R es:
Si los átomos en la celda BCC se consideran esféricos, el factor de empaquetamiento atómico (APF) puede hallarse empleando la siguiente expresión:
El APF de esta celda es 0.68, es decir, el 68% del volumen de la celda esta ocupado por átomos y el 32% restante en espacio vacío. El cristal BCC no es una estructura totalmente compacta, ya que los átomos aún podrían situarse más juntos. Muchos metales como el Cromo, Hierro, Wolframio, Molibdeno y Vanadio tienen estructura cristalina BCC.
Estructura Cristalina Cúbica Centrada en las Caras FCC. En esta celda hay un punto reticular en cada vértice del cubo y otro en el centro de cada cara del cubo. El modelo de esferas sólidas indica que los átomos de esta estructura están unidos del modo más compacto posible. El APF de esta estructura de empaquetamiento compacto es 0.74.
Esta celda tiene el equivalente a cuatro átomos por celda unidad. Un octavo de átomo en cada vértice (8 x 1/8=1) y seis medios átomos en el medio (1/2 x 6= 3).
Los átomos en la celda FCC contactan entre sí a lo largo de la diagonal de la cara del cubo, de tal forma que la relación entre la longitud de la cara del cubo y el radio atómico es:
Metales como el Aluminio, el Cobre, el Plomo, el Níquel y el Hierro a temperaturas elevadas (912 a 1394°C) cristalizan según la estructura FCC.
Ejemplo
El Cu posee una estructura FCC y un radio atómico de 0.1278 nm y considerando que los átomos son esferas sólidas que contactan a lo largo de las diagonales de la celdilla unidad FCC. ¿ Cuál es el valor teórico de la densidad del Cu ?
Masa atómica del Cu=63.54 g/mol
½ * 6= 3 átomo
a 4 átomos en la celda FCC
figura 5
Parámetro de Red:
Volumen de la celda:
V=a3 = (0.361nm)3 =0.047nm3x(1X10-9m)3 = 4.7 x 10-29 m3
Masa de los átomos de Cu en la celda:
Densidad Volumétrica:
El valor tabulado experimentalmente es de 8.96
Estructura Cristalina Hexagonal Compacta HCP
Los metales no cristalizan en la estructura hexagonal sencilla porque el APF es demasiado bajo. El APF es 0.74 ya que los átomos están empaquetados de un modo lo más cercano posible. Cada átomo esta rodeado de otros 12 átomos y por tanto su número de coordinación es 12.
La celda HCP posee 6 átomos, tres forman un triángulo en la capa intermedia, existen 6*1/6 secciones de átomos localizados en las capas de arriba y de abajo, haciendo un equivalente a 2 átomos más, finalmente existen 2 mitades de átomo en el centro de ambas capas superior e inferior, haciendo el equivalente de un átomo más.
La relación c/a de una estructura cristalina HCP ideal es de 1.633 que indica esferas uniformes tan próximas como sea posible. Los metales Cinc, Cadmio poseen una relación c/a más alta que la ideal, lo que indica que los átomos en estas estructuras están ligeramente elongados a lo largo del eje c en la celda unidad HCP. Los metales como el Titanio, Berilio, Magnesio Y Circonio entre otros tienen relaciones c/a menores que la ideal. Por tanto en estos metales los átomos están comprimidos a lo largo de la dirección del eje c.
ÍNDICES DE MILLER
Celdas Cúbicas. Los índices de Miller de un plano cristalino están definidos como los recíprocos de las intersecciones que el plano determina con los ejes x, y, z de los tres lados no paralelos del cubo unitario. Las aristas de una celda cúbica unitaria representan longitudes unitarias y las intersecciones de los planos de una red se miden en base a estas longitudes unitarias.
El procedimiento para determinar los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico es el siguiente:
Escoger un plano que no pase por el origen en (0,0,0)
Determinar las intersecciones del plano en base a los ejes x, y, z cristalográficos para un cubo unitario. Estas intersecciones pueden ser fraccionarias.
Construir los recíprocos de las intersecciones.
Despejar fracciones y determinar el conjunto más pequeño de números enteros que estén en la misma razón de las intersecciones. Estos números enteros son los índices de Miller de un plano cristalográfico y se encierran entre paréntesis sin usar comas. La notación (hkl) se emplea para indicar los índices de Miller en sentido general, donde h, k, y l son los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico de ejes x, y, y z respectivamente.
Ejemplos
figura 6
Las intersecciones del primer plano son 1, 1,
Para la segunda figura, las intersecciones son: 1,
Finalmente, el tercer plano, tiene las intersecciones 1, 1, 1 que nos dan un índice de Miller (1 1 1).
Si se considera que el plano cristalino pasa por el origen de manera que uno ó más cortes se hacen cero, el plano ha de ser desplazado a una posición equivalente en la misma celda unitaria de modo que el plano permanezca paralelo al original. Esto es posible porque todos los planos paralelos equidistantes son indicados con los mismos índices de Miller.
Si grupos de planos de redes equivalentes están relacionados por la simetría del sistema cristalino, se llaman familia de planos, y los índices de una familia de planos son encerrados entre llaves. Por ejemplo, los índices de Miller de los planos de la superficie del cubo (100) (010) y (001) se designan colectivamente como una familia con la notación {100}.
Una importante relación sólo para el sistema cúbico es que los índices de una dirección perpendicular a un plano de un cristal son los mismos que los índices de Miller para ese plano. Por ejemplo, la dirección [100] es perpendicular al plano cristalino (100).
Celda HCP. Se identifican empleando cuatro índices en vez de tres, se denominan índices Miller-Bravais, son representados por las letras h, k, i, l y encerrados entre paréntesis (h, k, i, l). Estos índices hexagonales están basados en un sistema coordenado de cuatro ejes, tres ejes básicos a1,a2,a3 que forman 120° entre sí, el cuarto eje o eje c es el eje vertical y está localizado en el centro de la celdilla unidad (Ver figura). La unidad a de medida a lo largo de los ejes a1,a2,a3 es la distancia entre los átomos. La unidad de medida a lo largo del eje c es la altura de la celdilla unidad. Los recíprocos de las intersecciones que un plano determina con los ejes a1,a2,a3 proporcionan los índices h, k e i mientras que el reciproco de la intersección con el eje c da el índice l.
figura 7
Los planos basales de la celdilla unidad HCP son muy importantes para esta celdilla, el plano basal de la parte superior es paralelo a los ejes a1,a2,a3 , las intersecciones de este plano con estos ejes serán todas de valor infinito. Así, a1 = a2= a3 =
Las direcciones en las celdas unitarias HCP se indican por cuatro índices [u,v,t,w]. Son vectores reticulares en las direcciones a1,a2,a3 respectivamente y el índice w es un vector reticular en la dirección c.
SISTEMAS DE DESLIZAMIENTO
Un sistema de deslizamiento es la combinación de un plano y una dirección que se halla sobre el plano a lo largo del cual se produce el deslizamiento.
El Mecanismo de deslizamiento puede definirse como el movimiento paralelo de dos regiones cristalinas adyacentes, una respecto a la otra, a través de algún plano (o planos).
El deslizamiento no se produce sobre un plano solamente, sino sobre pequeñas regiones de planos paralelos llamados bandas de deslizamiento o líneas de deslizamiento, dependiendo de sus espesores. Puesto que todas las líneas de deslizamiento está en grupos paralelos dentro de cada monocristal (cada grano), deben corresponder a una misma familia de planos (hkl) ocupados del grano particular. A partir de mediciones sobre especímenes de monocristales de orientaciones conocidas se puede determinar 1) los planos sobre los cuales se produce el deslizamiento y 2) la dirección de deslizamiento dentro de estos planos. Tales experimentos han revelado que en las estructuras FCC el deslizamiento siempre se produce sobre los planos {111} pero solamente en las direcciones <110>. Esto significa que si se produce el deslizamiento sobre el plano (111) será en alguna de las tres direcciones ± [101], ±[110], ±[011].
Los cristales FCC poseen 12 sistemas de deslizamiento debido a que tienen cuatro grupos {111} y con tres direcciones <110> en cada una.
En otras estructuras de cristales metálicos, los sistemas de deslizamiento tienen más variabilidad. En los metales BCC las líneas de deslizamiento tienen una apariencia ondulada. En estos cristales el deslizamiento se produce predominantemente en los sistemas {110} <111> y la apariencia ondulada se debe aparentemente a deslizamiento simultáneo sobre los otros dos sistemas de planos {211} y {321} . En cristales HCP reales, la relación c/a no es igual al valor ideal de 1.633 del modelo de esfera dura. Para los metales c/a > 1.633 hay alguna preferencia para el deslizamiento sobre el plano basal, <1120>(0001), mientras que para aquellos metales con c/a < 1.633 los sistemas de deslizamiento preferidos son los otros dos.
Tres observaciones generales son de gran importancia:
Metal se usa para denominar a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad poseen alta densidad y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.
La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solape entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presión y temperatura, la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con los semiconductores.
El concepto de metal refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con características metálicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la mayor parte de la tabla periódica de los elementos y se separan de los no metales por una línea diagonal entre el boro y el polonio. En comparación con los no metales tienen baja electronegatividad y baja energía de ionización, por lo que es más fácil que los metales cedan electrones y más difícil que los ganen
Una aleación es una mezcla homogénea, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.1
Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos: Fe, Al, Cu, Pb. Pueden tener algunos elementos no metálicos, como: P, C, Si, S, As. Para su fabricación se mezclan llevándolos a temperaturas tales que sus componentes se fundan.
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1 Clasificación
[editar]Clasificación
Por su composiciónTiene en cuenta el elemento que se halla en mayor proporción (aleaciones férricas aleaciones base cobre, etc.) Cuando los aleantes no tienen carácter metálico suelen hallarse en muy pequeña proporción, mientras que si únicamente se mezclan metales, los aleantes pueden aparecer en proporciones similares.
Por el número de elementos
Se pueden distinguir aleaciones binarias como el cuproníquel, ternarias (alpaca)... Hay aleaciones en las que intervienen un elevado número de elementos químicos, si bien en pequeñas cantidades.
Por su estructuraSustitucionalIntersticial "sustitución derivada de otra red".Por su peso
Las aleaciones ligeras contienen como elemento principal el aluminio o el magnesio.
[editar]Propiedades
Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales.
Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase. Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes. Preparación
Históricamente, la mayoría de las aleaciones se preparaban mezclando los materiales fundidos. Más recientemente, lapulvimetalurgia ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de suspuntos de fusión. El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Entre las aleaciones que pueden obtenerse por pulvimetalurgia están los cermets. Estas aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros) combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones decarbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis.
La plata fina, el oro de 18 quilates, el oro blanco y el platino iridiado son aleaciones de metales preciosos. La aleación antifricción, el latón, el bronce, el metal Dow, la plata alemana, el bronce de torpedo, el monel, el peltre y la soldadura son aleaciones de metales menos preciosos. Debido a sus impurezas, el aluminio comercial es en realidad una aleación. Las aleaciones de mercurio con otros metales se llaman amalgamas.
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La cerámica (palabra derivada del griego κεραμικός keramikos, "sustancia quemada") es el arte de fabricar recipientes, vasijas y otros objetos de arcilla, u otro material cerámico y por acción del calor transformarlos en utensilios deterracota, loza o porcelana. También es el nombre de dichos objetos.
El término se aplica de una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su significado. No sólo se aplica a las industrias de silicatos (grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre), sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por medio del calor, con suficiente temperatura como para dar lugar al sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre metal.
ienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.
Materiales cerámicos
Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tungsteno.
Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades específicas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión.
Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos.
Según su microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicos no cristalinos o vidrios y vitro cerámicos.
Cerámicos cristalinos
Se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el de solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios.
Cerámicos no cristalinos
Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos.
Vitro cerámicos
Se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.
Propiedades y aplicaciones
Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades:
• Son muy duros y presentan una gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura.
• Son capaces de soportar altas temperaturas
• Tienen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión
• Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas.
Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que los metales. A diferencia de éstos, se trata de materiales relativamente frágiles, ya que los enlaces iónico-covalentes.
Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible.
Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos o compositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polímero plástico o, incluso, de fibras cerámicas inmersas en el material cerámico, con lo que se consigue que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura.
Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals, compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro.
Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado.
El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metálico junto al material cerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación.
Resistencia a la temperatura
Esta propiedad se fundamenta en tres características de los materiales cerámicos: elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica.
- Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes.
Resistencia a los agentes químicosLa estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y a los agentes químicos.
Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y de los agentes químicos a que vayan ser sometidos.
La alúmina de elevada pureza se emplea en prótesis o implantes óseos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosión, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo.
Polimeros
INTRODUCCIÓN
Los compuestos orgánicos son en general sustancias de constitución simple, porque se forman por moléculas con un número muy reducido de átomos.
La polimerización es una reacción química realizada mayormente en presencia de un catalizador que se combina para formar moléculas gigantes.
Los polímeros tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes constituidas por moléculas sencillas. Los que se obtienen industrialmente se conocen como plásticos, éstos también pueden ser llamados homopolímeros, que se producen cuando el polímero formado por la polimerización de monómeros iguales.
Muchos monómeros también forman polímeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono o del cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas de polímero. Así la polimerización de glucosa la celulosa, un polímero natural, va acompañado por pérdida de agua y la celulosa es un polímero típico de condensación.
POLÍMEROS
Los Polímeros, provienen de las palabras griegas Poly y Mers, que significa muchas partes, son grandes moléculas o macromoléculas formadas por la unión de muchas pequeñas moléculas: sustancias de mayor masa molecular entre dos de la misma composición química, resultante del proceso de la polimerización.
Cuando se unen entre sí más de un tipo de moléculas (monómeros), la macromolécula resultante se denomina copolímero.
Como los polímeros se forman usualmente por la unión de un gran número de moléculas menores, tienen altos pesos moleculares. No es infrecuente que los polímeros tengan pesos moleculares de 100.000 o mayores.
Los polímeros se caracterizan a menudo sobre la base de los productos de su descomposición. Así si se calienta caucho natural (tomado del árbol Hevea del valle del Amazonas), hay destilación de hidrocarburo, isopreno.
Los polímeros pueden ser de tres tipos:
- Polímeros naturales: provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidosnucleicos, etc.
- Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc.
- Polímeros sintéticos: son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.
Muchos elementos (el silicio, entre otros), forman también polímeros, llamados polímeros inorgánicos.Propiedades Físicas de los Polímeros
- Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 hasta 150.000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia uncarácter amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal.
- En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van de Waals.
- En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H.
- La temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros.
- A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que forman el material.
- La temperatura en la cual funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf)
- Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que la misma sea bastante superior a Tf.
Clasificación de los Polímeros según sus Propiedades FísicasDesde un punto de vista general se puede hablar de tres tipos de polímeros:
- Elastómeros
- Termoplásticos
- Termoestables.
Los elastómeros y termoplásticos están constituidos por moléculas que forman largas cadenas con poco entrecruzamiento entre sí. Cuando se calientan, se ablandan sin descomposición y pueden ser moldeados.Los termoestables se preparan generalmente a partir de sustancias semifluidas de peso molecular relativamente bajo, las cuales alcanzan, cuando se someten a procesos adecuados, un alto grado de entrecruzamiento molecular formando materiales duros, que funden con descomposición o no funden y son generalmente insolubles en los solventes más usuales.
Polimerización
Es un proceso químico por el cual, mediante calor, luz o un catalizador, se unen varias moléculas de un compuesto generalmente de carácter no saturado llamado monómero para formar una cadena de múltiples eslabones, moléculas de elevado peso molecular y de propiedades distintas, llamadas macromoléculas o polímeros.
Tipos de Reacciones de Polimerización
Hay dos reacciones generales de polimerización: la de adición y la condensación.
En las polimerizaciones de adición, todos los átomos de monómero se convierten en partes del polímero.
En las reacciones de condensación algunos de los átomos del monómero no forman parte del polímero, sino que son liberados como H2O, CO2, ROH, etc.
Algunos polímeros (ejemplo: polietilén glicol) pueden ser obtenidos por uno u otro tipo de reacción.
Polimerización por Adición
Las polimerizaciones por adición ocurren por un mecanismo en el que interviene la formación inicial de algunas especies reactivas, como radicales libres o iones. La adición de éstas especies reactivas a una molécula del monómero convierte a la molécula en un radical o Ion libre. Entonces procede la reacción en forma continua. Un ejemplo típico de polimerización por adición de un radical libre es la polimerización de cloruro de vinilo, H:C = CHCl, en cloruro de polivinilo (PVC).
Polietileno
Cuando se calienta eteno (etileno) con oxígeno bajo presión, se obtiene un compuesto de elevada masa molar (alrededor de 20 mil) llamado Polietileno, el cual es un alcano de cadena muy larga. Monómero: CH2 = CH2.. La reacción se presenta de la forma siguiente:
Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superiorCondiciones experimentales de polimerización
En fase gaseosa a altas temperaturas y presiones, a presión media utilizando catalizadores heterogéneos y a baja presión en presencia de trietilo dealuminio como catalizador.
Propiedades: Los polietilenos de alta presión tienen pesos moleculares entre 10.000 y 40.000. Son muy elásticos, flexibles y termoplásticos. Los polietilenos de fusión media presentan alta cristalinidad y son duros y rígidos y los de fusión baja menor cristalinidad, siendo también duros y poco elásticos.
Todos los polietilenos son muy resistentes a los agentes químicos.
Usos: Para la fabricación de tubos, planchas, materiales aislantes, para cables eléctricos, recubrimientos para protección contra la corrosión, hojas y láminas para embalaje, protección de cultivos, aislamiento térmico, recubrimientos sobre papel, en el moldeo por inyección para obtener recipientes de todo tipo, artículos del hogar, tuberías que sustituyen a los de hierro galvanizado, etc.
Poliestireno
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Venil Benceno Poliestireno
Mecanismos: Radicales libres o iónicos
Condiciones experimentales de polimerización
Emulsión, suspensión o en bloque
Propiedades: Por los procedimientos de emulsión o suspensión se obtienen disoluciones de distintas viscosidades según el grado de polimerización alcanzado.
Usos: Plastificado se utiliza en la industria de pinturas y barnices. Con elevado grado de polimerización en la industria transformadora de plásticos principalmente en procesos de moldeo por inyección.
En la industria eléctrica encuentra gran aplicación debido a su excelente poder aislante.
Cloruro de Polivinilo (PVC)
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Mecanismos: Radicales libres por acción de la luz o de catalizadores peróxidos.
Condiciones experimentales de polimerización: El proceso puede llevarse a cabo a fusión, en emulsión o en bloque obteniéndose en cada caso un producto de propiedades peculiares.
Propiedades: Polvo blanco que comienza a reblandecer cerca de los 80ºC y se descompone sobre los 140ºC. Es muy resistente a los agentes mecánicos y químicos y es de fácil pigmentación.
Usos: Materiales aislantes para la industrias química, eléctrica.
Polimerización por Condensación
La polimerización por condensación es el proceso mediante el cual se combinan monómeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono, o cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas del polímero.
Casi todos los polímeros de condensación son en realidad copolímeros; es decir, que están formados por dos o más clases de monómeros. Así, una diamina reacciona con un ácido dicarboxílico para formar nylon.
Entre los polímeros naturales por condensación tenemos la celulosa, las proteínas, la seda, el algodón, la lana y el almidón.
Poliésteres
El intercambio de éster es una de las útiles reacciones para preparar polímeros lineales.
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Polímeros termoestables pueden ser preparados a partir de anhídridos de ácido polibásicos con polialcoholes. Ejemplo: glicerol con anhídrido ftálico.
Nylon
Una gran variedad puede obtenerse calentando diaminas con ácidos dicarboxílicos.
Ejemplo: nylon (66)
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Bakelitas:
Los productos de partida son el fenol y el formaldehído.
Condiciones experimentales de polimerización
- Polimerización en fase gaseosa a presión normal, reducida o elevada. El procedimiento más importante de este tipo es la polimerización del etileno.
- Polimerización de uno o más monómeros en fase líquida pura (polimerización en bloque). Muchas polimerizaciones del tipo vinilo se realizan de esta manera, especialmente si se desean obtener trozos grandes, transparentes, del producto final. Ejemplos: la formación de poliésteres y poliamidas, los productos de adición fenol-úrea y melamina formaldehído.
- Polimerización de uno o más monómeros por dispersión en forma de gotitas de diversos tamaños en un líquido no disolvente (polimerización en suspensión, en perlas o glóbulos). El estireno, el metacrilato de metilo y otros monómeros se polimerizan de esta manera para obtener gránulos de tamaño y calidad muy uniformes para el moldeo por inyección y compresión.
Impacto Social y Ambiental generado por el uso de los PolímerosAspectos positivos
Un gran número de materiales están construidos por polímeros y muchos de ellos son irremplazables en el actual mundo tecnológico.
Aspectos negativos
- La inadecuada eliminación de los polímeros contribuye en buena parte a la degradación ambiental por acumulación de basura.
- Muchos artículos de plástico son peligrosas armas destructivas. Por ejemplo, las bolsas plásticas pueden ser causantes de asfixia si se recubre la cabeza con ellas y no se logra retirarlas a tiempo.
- Especies como la tortura gigante, mueren al ingerir bolsas plásticas que flotan en el mar, confundiéndolas con esperma de peces, su alimento habitual.
- La no biodegradación impide su eliminación en relleno sanitario y además disminuye notablemente la presencia de colonias bacterianas en tornoa los plásticos.
- La incineración puede generar compuestos venenosos. Por ejemplo, HCl (g) y HCN (g)
- Los envases plásticos empleados para alimentos no pueden volver a usarse ya que no existen métodos efectivos de esterilización.
BIOMOLÉCULASLOS GLÚCIDOS
Los glúcidos también llamados carbohidratos, son polihidroxialdehídos, polihidroxicetonas o compuestos que por hidrólisis se convierten en los polihidroxi antes nombrados. Un carbohidrato que no es hidrolizable a compuestos más simples se denomina monosacárido. En cambio uno que por hidrólisis da dos moléculas de monosacáridos se llama disacárido, mientras aquel que produce muchas moléculas de monosacáridos por hidrólisis es un polisacárido.
A su vez un monosacárido si contiene un grupo aldehído se le conoce como aldosa; si contiene una función cetona es una cetosa. Según el número de átomos de carbono que contenga se conoce el monosacárido como triosa, tetrosa, pentosa, hexosa y así sucesivamente. Una aldohexosa por ejemplo, es un monosacárido con seis átomos de carbono con una función aldehído, mientras que una cetohexosa es un monosacárido de seis átomos de carbono con un grupo cetónico.
Importancia Biológica de los GlúcidosLa podemos resumir en los aspectos siguientes:
- La glucosa es la biomolécula combustible más importante para la mayor parte de los organismos y es también la unidad estructural básica o precursora de los polisacáridos más abundantes.
- La celulosa es el componente estructural predominante en los tejidos fibrosos y leñosos de las plantas.
- El almidón se encuentra en cantidades muy grandes en las plantas, de las que constituye la forma principal de combustible de reserva.
- Los polisacáridos son componentes importantes de las rígidas paredes celulares de las bacterias y las plantas, así como de las cubiertas celulares blandas de los tejidos animales.
- Las aldopentosas son componentes importantes de los ácidos nucleicos y varios derivados de las triosas y las heptosas, son intermediarios en elmetabolismo de los glúcidos.
LAS PROTEÍNASEl nombre proteína proviene de la palabra griega proteios, que significa lo primero. Entre todos los compuestos químicos, las proteínas deben considerarse ciertamente como las más importantes, puesto que son las sustancias de la vida.
Desde un punto de vista químico son polímeros grandes o son poliamidas y los monómeros de los cuales derivan son los ácidos a - aminocarboxílicos (aminoácidos). Una sola molécula de proteína contiene cientos e incluso miles de unidades de aminoácidos, las que pueden ser de unos veinte tipos diferentes. El número de moléculas proteínicas distintas que pueden existir, es casi infinito. Es probable que se necesiten decenas de miles de proteínas diferentes para formar y hacer funcionar un organismo animal; este conjunto de proteínas no es idéntico al que constituye un animal de tipo distinto.
Propiedades de los Aminoácidos
- Los aminoácidos son sólidos cristalinos no volátiles, que funden con descomposición a temperaturas relativamente altas.
- Son insolubles en solventes no polares, mientras que son apreciablemente solubles en agua.
- Sus soluciones acuosas se comportan como soluciones de sustancias de elevado momento dipolar.
- Las constantes de acidez y basicidad son muy pequeñas para grupos – NH2 y - COOH. La glicina, por ejemplo, tiene Ka = 1,6 x 10-10 y Kb = 2,5 x 10-12, mientras que la mayoría de los ácidos carboxílicos tienen Ka del orden 10-5, y un gran número de aminas alifática un Kb de aproximadamente 10-4. En forma general el Ka medido se refiere a la acidez del ión amonio RNH3+
Importancia Biológica de las proteínasSu importancia biológica la podemos resumir así:- Son las sustancias de la vida, pues constituyen gran parte del cuerpo animal.
- Se les encuentra en la célula viva.
- Son la materia principal de la piel, músculos, tendones, nervios, sangre, enzimas, anticuerpos y muchas hormonas.
- Dirigen la síntesis de los ácidos nucleicos que son los que controlan la herencia.
LOS LÍPIDOSLos lípidos son biomoléculas que siendo insolubles en el agua, pueden ser extraídas de las células con solventes orgánicos de polaridad baja, tales como el éter y el cloroformo.
Los lípidos abarcan una amplia variedad de tipos estructurales incluyendo los siguientes:
- Ácidos carboxílicos (ácidos grasos)
- Triacilglicéridos (o grasas neutras)
- Fosfolípidos
- Glicolípidos
- Ceras
- Tarpenos
- Esteroides
Sólo una pequeña parte de los lípidos está formada por ácidos carboxílicos libres.La mayoría de los ácidos carboxílicos en los lípidos se encuentran como ésteres del glicerol, es decir, como triacilglicéridos.
Los triacilglicéridos son los aceites y grasas de origen vegetal o animal, incluyendo sustancias tan comunes como el aceite de maní, el aceite de oliva, el aceite de soya, el aceite de maíz, el aceite de linaza, la mantequilla, la manteca y el sebo. Los triacilglicéridos que son líquidos a temperatura ambiente, generalmente se conocen como aceites; los que son sólidos se conocen como mantecas y sebos.
Como podemos observar, para dar una definición de un lípido tenemos que partir de su estructura.
Desde un punto de vista químico las grasas son esteres carboxílicos que derivan de un solo alcohol, el glicerol, CH2OH - CHOH – CH2OH (1,2, 3-propanotriol) y se conocen como glicéridos. Más específicamente se trata de triacilglicéridos.
CH3 – (CH2)12 - COOH ácido tetradecanoico (ácido mirístico)
CH3 – (CH2)14 - COOH ácido hexadecanoico (ácido palmítico)
CH3 – (CH2)16 - COOH ácido octadecanoico (ácido esteárico)
La hidrólisis de la mantequilla forma pequeñas cantidades de ácidos carboxílicos saturados de número par de átomos de carbono, en el intervalo C4 – C12
Estos son los ácidos butíricos (butanoico), caproico (hexanoico), caprílico (octanoico), capricho (decanoico) y laúrico (dodecanoico). La hidrólisis del aceite de coco también produce ácidos carboxílicos de cadena corta y gran cantidad de ácido laúrico.
Importancia Biológica de los Lípidos
La podemos resumir en los aspectos siguientes:
- Las grasas son los constituyentes principales de las células almacenadoras de grasas en los animales y vegetales.
- Constituyen una de las reservas alimenticias importantes del organismo.
- Se emplean en grandes cantidades como materias primas para muchos procesos industriales, de donde se obtienen en algunos casos alimentos de la dieta diaria. Ejemplos, mantequilla, manteca, aceites, etc., además de otros productos de uso cotidiano jabón, aceites secantes, detergentes, etc.
LOS ÁCIDOS NUCLEICOSLos ácidos nucleicos son polímeros que existen en el núcleo de las células. Toda célula viva contiene ácidos nucleicos, como también las células bacterianas que no contienen núcleos y en los virus que no tienen células. Estos ácidos tienen primordial importancia porque determinan la síntesis de la proteína y el factor genético, las características hereditarias de todos los organismos vivos.
La unidad de repetición (monómero) de los ácidos nucleicos se compone de tres partes de ácido fosfórico, una base que contiene nitrógeno y una porción de azúcar. Este monómero se llama nucleótido.
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El azúcar es o bien ribosa o desoxirribosa, y la base es una de las cinco bases principales, citosina, adenina, timina, guanina, uracilo.
Un ácido nucleico que contiene ribosa se llama ácido ribonucleico (RNA) mientras que uno que posee desoxirribosa se denomina ácido desoxirribonucleico (DNA). El DNA fue descubierto por Freidrich Miescher en 1869 y sintetizado por Arthur Kornberg en 1967.
USO DE FÓRMULAS LEGALES E ILEGALES
Un fármaco o medicamento es cualquier sustancia que, aplicada interior o exteriormente al cuerpo, puede producir un efecto curativo. Los medicamentos en general son inofensivos, mientras que otros producen dependencia si son mal usados e inclusive la muerte. De allí que
existan los fármacos legales y los fármacos ilegales.
Los fármacos se expenden en las farmacias sin prescripción facultativa (aspirina, atamel, amoxal, icadén, voltarén, vapesin, etc.) mientras que otros que pueden inducir dependencia o daños si no son bien administrados, se venden mediante prescripción médica. Entre estos últimos tenemos los psicotrópicos (largactil, sinogán, ritalín, ativán, rohpinol, valium, etc.) y anestésicos (cifarcaína, lidocaina, xylocaina, pentotalsódico, morfina, etc.).
Por último existen los fármacos cuya venta no autorizada los convierte en fármacos ilegales. El uso de estos fármacos conduce a dependencia e inclusive la muerte. Se citan la cocaína y la heroína.
IMPACTO DE LA QUÍMICA EN LA PREPARACIÓN DE NUEVA BIOTECNOLOGÍA
La Química influye en nuestra vida de muy diversas formas. Cuando una persona (o animal) está enferma, el médico (o el veterinario) le prescribe ciertos medicamentos que han sido descubiertos por los químicos.
Por otra parte, investigaciones químicas han permitido descubrir fibras, plásticos y cauchos sintéticos como los que se usan en los neumáticos y en otras partes de los automóviles y maquinarias. En los laboratorios químicos se han desarrollado fertilizantes sintéticos que incrementan la producciónde alimentos de los terrenos cultivados.
La Química en su constante proceso de experimentación también ha producido y produce hormonas, que ayudan a un mejor funcionamiento del organismo. Entre estas hormonas sintéticas se tienen las píldoras anticonceptivas, hormona sexual masculina y la hormona sexual femenina, insulina, hormonas suprarrenales, hormonas tiroideas, y antitiroideas, hormona contra la esterilidad y muchas otras más. Así mismo, la biotecnología química ha conducido a la preparación de vitaminas, tales como la A, B (y sus diferentes variantes), D, C, E y K y el ácido desoxirribonucleico. En conclusión, la Química ha intervenido en la preparación de casi todos los productos imaginables.